CN105974312A - 永磁同步电机退磁故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，通过获取的实时状态下的电机定子零序电流信号中的v次谐波的幅值与预存的正常状态下的电机定子零序电流信号中的v次谐波的幅值的比较计算故障特征值，并根据故障特征值判断永磁同步电机是否退磁。本发明提供的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，不仅能够判断退磁故障，而且能够根据故障特征值估算退磁程度。本发明在故障诊断过程中，计算量小，易于实现在线诊断，能够克服现有诊断方法的不足，提高诊断的实时性、有效性和可靠性。

Description

永磁同步电机退磁故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电机故障诊断技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机退磁故障诊断方法。

背景技术

由于永磁同步电机具有功率密度高、效率高、转矩惯量比大和调速范围宽等优点。近年来，在风力发电、升降机驱动等大功率以及电动汽车和数控机床等高性能应用场合得到了广泛关注和使用。

然而，当永磁同步电机在过于恶劣的环境中工作时，有可能会发生退磁现象。此外，当永磁同步电机因负载波动或控制器参数不匹配等原因发生失步现象时，也可能会发生退磁故障。当时永磁同步电机在发生退磁时，电机相电流将加大，发热亦将增大。如果这种故障在初期没有被检测到，故障就会加重，使电机的温度不断增加，最后导致电机完全损坏。因此，需要及时地诊断永磁同步电机退磁故障。目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机退磁故障，目前最流行的是基于定子电流和零序电压方法等。但是现有方法存在一定的不足，一方面是基于电流的方法只适用局部退磁故障，不能判断均匀退磁故障；基于零序电压的方法只适合于星形连接的永磁同步电机，不适合三角形连接的永磁同步电机。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种永磁同步电机退磁故障诊断方法。

本发明提出的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，包括以下步骤：

S1、获取电机正常状态下零序电流中v次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)，v＝3×n，其中，n为奇数；

S2、采集三相定子电流信号，并将三相定子电流信号相加获得零序电流信号，并计算零序电流信号中v次谐波的幅值作为实测值I_v；

S3、根据标准阈值和实测值计算故障特征量k；

S4、根据故障特征量k判断永磁同步电机是否处于退磁状态。

优选地，步骤S1具体包括以下步骤：

S11、获取电机正常工作状态下三相定子电流信号，将三相定子电流信号相加获得零序电流；

S12、通过快速傅立叶变换计算获得的零序电流中v次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)。

优选地，步骤S2中，通过快速傅立叶变换计算零序电流信号中v次谐波的幅值作为实测值I_v。

优选地，步骤S3中，故障特征量

优选地，步骤S4具体为：当k等于1，判断永磁同步电机处于正常运行状态；当k小于1，判断永磁同步电机处于退磁运行状态。

优选地，v＝3。

本发明提供的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，通过获取的实时状态下的电机定子零序电流信号中的v次谐波的幅值与预存的正常状态下的电机定子零序电流信号中的v次谐波的幅值的比较计算故障特征值，并根据故障特征值判断永磁同步电机是否退磁。

本发明不需要额外的传感器，计算简单，可以实现永磁同步电机永磁体退磁故障的检测，可以避免因永磁体退磁而引起的永磁同步电机过电流运行以及随之引发的过热等故障，可以有效保护永磁同步电机及其驱动系统。

本发明提供的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，不仅能够判断退磁故障，而且能够根据故障特征值估算退磁程度。本发明在故障诊断过程中，计算量小，易于实现在线诊断，能够克服现有诊断方法的不足，提高诊断的实时性、有效性和可靠性。

附图说明

图1为本发明提出的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法流程图。

具体实施方式

以三角形接法的永磁同步电机为例。

永磁同步电机发生永磁体退磁故障的情况下，定子绕组的相电压方程在abc坐标系下表示为：

$\[u_{f,abc}\]=\[R_s\]\[i_{abc}\]+\[L_s\]\frac{d}{dt}\[i_{abc}\]+k\[e\]---\left(1\right)$

式中：

[u_f,abc]＝[u_a u_b u_c]^t，

[i_abc]＝[i_a i_b i_c]^t，u_a、u_b和u_c为三相定子绕组的相电压，i_a、i_b和i_c为三相定子绕组的相电流，k是等效退磁系数且永磁同步电机正常状态下k＝1，R_s是定子电阻，L是自感，M是互感。λ_PM,a,λ_PM,b,λ_PM,c分别是a、b、c三相定子绕组的永磁磁链，其表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_{PM,a}={\mathrm{\λ}}_{PM,1}\cos \left(\mathrm{\θ}\right)+\underset{v=2m+1}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{PM,v}\cos (v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v)\\ {\mathrm{\λ}}_{PM,b}={\mathrm{\λ}}_{PM,1}\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\underset{v=2m+1}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{PM,v}\cos (v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v-2v\frac{\mathrm{\π}}{3})\\ {\mathrm{\λ}}_{PM,c}={\mathrm{\λ}}_{PM,1}\cos (\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})+\underset{v=2m+1}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{PM,v}\cos (v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v+2v\frac{\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：λ_PM,1是基波磁链的幅值，v是谐波次数，λ_PM,v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θ_v是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度，m是一个正整数。

根据基尔霍夫电压(KVL)原理可知，三角形接法的永磁同步电机中三相相电压(或线电压)之和恒等于零，即

u_a+u_b+u_c＝0 (3)

将式(1)带入(3)可得

$R_s(i_a+i_b+i_c)+(L+2M)\frac{d(i_a+i_b+i_c)}{dt}+k\frac{d({\mathrm{\λ}}_{PM,a}+{\mathrm{\λ}}_{PM,b}+{\mathrm{\λ}}_{PM,c})}{dt}=0---\left(4\right)$

定义零序电流为：

i_zsc＝i_as+i_bs+i_cs (5)

将式(5)带入(4)中可得

$R_s{i}_{zsc}+(L+2M)\frac{{\mathrm{di}}_{zsc}}{dt}=3{\mathrm{k\ω}}_s\underset{v=3nn=1,3,\mathrm{5...}}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{PM,v}\sin (v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v)---\left(6\right)$

将式(6)变换为

$R_s{i}_{zsc}+{\mathrm{\ω}}_s(L+2M)\frac{{\mathrm{di}}_{zsc}}{d\mathrm{\θ}}=3{\mathrm{k\ω}}_s\underset{v=3nn=1,3,\mathrm{5...}}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{PM,v}\sin (v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v)---\left(7\right)$

在式(7)中将θ看成自变量，i_zsc看成因变量，那么式(7)就是一阶常系数非齐次线性微分方程，通过求解可得：

$i_{zsc}=3{\mathrm{k\ω}}_s\underset{v=3nn=1,3,\mathrm{5...}}{\Σ}\frac{{\mathrm{\λ}}_{PM,v}}{\sqrt{{\left({\mathrm{v\ω}}_s\right(L+2M\left)\right)}^2+{R_s}^2}}sin(v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v+\mathrm{\γ})+{\mathrm{Ce}}^{-\frac{R_s}{{\mathrm{\ω}}_s(L+2M)}\mathrm{\θ}}---\left(8\right)$

式中：C为任意常数，γ＝tan^-1(-ω_s(L+2M)/R_s)。

当θ趋向于无穷大时，式(8)变为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{zsc}=\underset{v=3nn=1,3,\mathrm{5...}}{\Σ}\frac{3{\mathrm{k\ω}}_s{\mathrm{\λ}}_{PM,v}}{\sqrt{{\left({\mathrm{v\ω}}_s\right(L+2M\left)\right)}^2+{R_s}^2}}sin(v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v+\mathrm{\γ}=\underset{v=3nn=1,3,\mathrm{5...}}{\Σ}{I}_{v}sin(v\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_v+\mathrm{\γ}\\ I_v=\frac{3{\mathrm{k\λ}}_{PM,v}{\mathrm{\ω}}_s}{\sqrt{{\left({\mathrm{v\ω}}_s\right(L+2M\left)\right)}^2+{R_s}^2}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，I_v表示故障情况下零序电流中v次谐波幅值。

从式(9)可以看出，当退磁故障发生时，零序电流中ν次谐波的幅值会发生变化。因此，可以通过观察零序电流中ν次谐波的幅值来判断有没有出现退磁故障。在正常情况下，k＝1，代入式(9)的第二行可得

$I_{v\left(0\right)}=\frac{3{\mathrm{\λ}}_{PM,v}{\mathrm{\ω}}_s}{\sqrt{{\left({\mathrm{v\ω}}_s\right(L+2M\left)\right)}^2+{R_s}^2}}---\left(10\right)$

I_v(0)表示永磁同步电机在正常情况下的零序电流中v次谐波的幅值。

将式(10)代入式(9)的第二行可得

$k=\frac{I_v}{I_{v\left(0\right)}}---\left(11\right)$

结合以上原理，本发明提出了一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，采用零序电流中三次谐波，即式(11)中的ν取值为3。具体实施时，谐波次数也可采用其他数值，但必须是3的其数倍。

参照图1，本发明提出的一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，包括以下步骤。

S11、获取电机正常工作状态下三相定子电流信号，将三相定子电流信号相加获得零序电流；

S12、通过快速傅立叶变换计算获得的零序电流中三次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)。

本步骤中，标准阈值I_v(0)即为永磁同步电机在正常情况下的零序电流中三次谐波的幅值，其具有唯一性。

步骤S11、S12的目的为获取电机正常状态下零序电流中三次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)，为永磁同步电机的退磁判断提供参照标准。具体实施时，电机正常状态下零序电流中三次谐波的幅值也可通过其他方式获得。

S2、采集三相定子电流信号，并将三相定子电流信号相加获得零序电流信号，并计算零序电流信号中三次谐波的幅值作为实测值I_v。

本步骤中，通过快速傅立叶变换计算零序电流信号中三次谐波的幅值作为实测值I_v。

实测值I_v为实时获得的零序电流信号中三次谐波的幅值，即实测值I_v是在不确定永磁同步电机是否退磁的状态下获得零序电流信号中三次谐波的幅值，其是永磁同步电机的退磁判断的依据。

S3、根据标准阈值和实测值计算故障特征量k，

S4、根据故障特征量k判断永磁同步电机是否处于退磁状态。

结合式(9)和式(10)可知，永磁同步电机正常工作状态下，k＝1；当永磁同步电机退磁时，I_v＜I_v(0)，即k<1。

故而，本步骤中，永磁同步电机退磁判断标准为：当k等于1，判断永磁同步电机处于正常运行状态；当k小于1，判断永磁同步电机处于退磁运行状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取电机正常状态下零序电流中v次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)，v＝3×n，其中，n为奇数；

S2、采集三相定子电流信号，并将三相定子电流信号相加获得零序电流信号，并计算零序电流信号中v次谐波的幅值作为实测值I_v；

S3、根据标准阈值和实测值计算故障特征量k；

S4、根据故障特征量k判断永磁同步电机是否处于退磁状态。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：

S11、获取电机正常工作状态下三相定子电流信号，将三相定子电流信号相加获得零序电流；

S12、通过快速傅立叶变换计算获得的零序电流中v次谐波的幅值作为标准阈值I_v(0)。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，步骤S2中，通过快速傅立叶变换计算零序电流信号中v次谐波的幅值作为实测值I_v。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，步骤S3中，故障特征量

5.如权利要求4所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，步骤S4具体为：当k等于1，判断永磁同步电机处于正常运行状态；当k小于1，判断永磁同步电机处于退磁运行状态。

6.如权利要求4所述的永磁同步电机退磁故障诊断方法，其特征在于，v＝3。